三峽水電站充水保壓蝸殼平面非線性分析

1、三峽水電站充水保壓蝸殼平面非線性分析摘要：采用自編的三維鋼筋混凝土非線性有限元程序，對三峽水電站充水保壓蝸殼進展了平面非線性分析，分析了鋼蝸殼及外圍鋼筋混凝土的應(yīng)力變形特性。非線性計算分析說明，在蝸殼進口斷面處，雖然外圍混凝土較薄，但在設(shè)計內(nèi)水壓力、構(gòu)造自重和設(shè)備重量這些荷載組合作用下，蝸殼進口斷面混凝土可能不會開裂，因此鋼材應(yīng)力均比擬低，構(gòu)造具有較高的平安度。說明現(xiàn)有配筋方案鋼筋用量可能偏多，沒有充分發(fā)揮鋼材的作用，在進一步設(shè)計時可以適當優(yōu)化。關(guān)鍵詞：水電站廠房鋼蝸殼鋼筋混凝土非線性有限元蝸殼構(gòu)造是水電站廠房水下構(gòu)造的重要組成局部之一。三峽水電站的蝸殼構(gòu)造型式經(jīng)有關(guān)單位長期研究分析和專家組屢

2、次審查，決定采用“充水保壓澆筑鋼蝸殼外圍混凝土的方案。三峽水電站機組單機容量大、機組臺數(shù)多，運行期分為初期和后期兩個階段，結(jié)合三峽水電站的特點，合理選擇鋼蝸殼外圍混凝土澆筑時的保壓值和配筋方式，不僅是個重大的技術(shù)經(jīng)濟問題，而且也關(guān)系到電站是否能長期平安運行。三峽工程的建立方針是“一次建成，分期運行，建成后初期運行時水位較低，假如澆筑混凝土?xí)r鋼蝸殼內(nèi)充水保壓的壓力值獲得較大，雖然在運行時外圍混凝土分擔的內(nèi)水壓力可以較小，但在初期運行期內(nèi)，鋼蝸殼不能與外圍混凝土嚴密相接，不利于增加機組根底剛度、減小機組振動。相反，假如充水保壓的壓力值獲得過小，雖然在初期運行大局部時間內(nèi)鋼蝸殼能與外圍混凝土結(jié)成整體

3、，增加剛度，但在電站后期運行時，庫水位抬高，外圍混凝土分擔的內(nèi)水壓力較大，由于鋼蝸殼外包鋼筋混凝土較薄，可能引起混凝土開裂。因此，本文在合理選擇鋼蝸殼充水保壓值1的根底上，對最薄弱的蝸殼進口斷面進展了進一步的平面非線性有限元分析，以優(yōu)化構(gòu)造設(shè)計和鋼筋配置。1鋼筋混凝土非線性有限元程序計算程序是在一個巖土程序的根底上改編而成的三維非線性有限元程序。它不僅可以對地下洞室的開挖、支護和運行進展模擬計算，也可以對地面上的鋼筋混凝土構(gòu)造如鋼襯鋼筋混凝土管道、分岔管和蝸殼等的應(yīng)力狀態(tài)、開裂特性以及承載才能進展分析。1.1巖石、混凝土的模擬1.1.1材料本構(gòu)關(guān)系采用根據(jù)摩爾庫侖準那么進展修正的Zienkie

4、iz-Pande的雙曲線屈從準那么來模擬巖石與混凝土，在午面上，其屈從曲線如圖1，其屈從函數(shù)為：(1)其中：；=a2sin2-2s2；=(x+y+z)/3；=-sin2；=2sins；為材料粘結(jié)力；為材料的摩擦角；a為待定系數(shù)，隨著a值的減小，該雙曲線可以與摩爾一庫倫包絡(luò)線到達任意接近的程度，而a值與材料的、值和允許抗拉強度有關(guān)。上述Zp雙曲線屈從準那么，對于以壓應(yīng)力為主的構(gòu)造，如地下廠房，高邊坡，交通隧洞等，該模型根本上可以反映混凝土和圍巖的特性，得到比擬可行的計算結(jié)果。但是，對于以拉應(yīng)力為主的構(gòu)造，如過水的壓力隧洞、分岔管，該力學(xué)模型已難于描繪混凝土的開裂特征，必須加以補充和改良。為此，作

5、者引入了最大主拉應(yīng)力準那么來模擬拉破壞狀態(tài)，即對于壓應(yīng)力為主的應(yīng)力狀態(tài)，采用Zienkieiz-Pande屈從準那么，而對于拉應(yīng)力為主的應(yīng)力狀態(tài)采用最大主拉應(yīng)力準那么來模擬。1.1.2混凝土裂縫的模擬在鋼筋混凝土非線性有限元分析中，混凝土裂縫可以采用離散式裂縫模型、分布式裂縫模型、斷裂力學(xué)模型等進展模擬。綜合考慮各種因素，本文程序采用了分布式裂縫模型來模擬混凝土裂縫。分布裂縫模型認為，在第一條裂縫出現(xiàn)以后，混凝土就變成了正交異性體，這就需要重新給出增量形式的本構(gòu)關(guān)系矩陣。設(shè)單元中某一點的主應(yīng)力按代數(shù)值大小排列，123，如其中最大主應(yīng)力1大于混凝土的抗拉強度，那么認為裂縫產(chǎn)生，并且假定裂縫方向垂

6、直于1方向。開裂后，最大主應(yīng)力1將被釋放而應(yīng)力重新分布，同時，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系矩陣在這一方向上的剛度系數(shù)將等于零，由此，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系矩陣可修改為：(2)式中：為殘留抗剪系數(shù)，其值反映由于骨料聯(lián)鎖或外表嚙合作用可以承受的局部剪力，顯然，應(yīng)有01。類似地，對于雙向拉裂或三向拉裂情況，也可以對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系矩陣進展相應(yīng)的修改。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.D=D+sDs(3)式中：D為復(fù)合單元本構(gòu)關(guān)系矩陣；為混凝土受力面積與總截面積之比；s為鋼筋受力面積與總截面積之比，亦稱配筋率。由式3可以看出，復(fù)合單元的本構(gòu)關(guān)系矩陣D是由兩局部疊加起來的，一局部是混凝土的D矩陣，一局部是布置在各方向的鋼筋的Ds矩陣，二者

7、奉獻之和，組成了復(fù)合材料單元的本構(gòu)關(guān)系矩陣。1.2.2鋼筋的本構(gòu)關(guān)系在鋼筋混凝土構(gòu)造中，鋼筋主要是在順長方向上起作用，鋼筋是一維的，因此鋼筋只要采用一維本構(gòu)關(guān)系就可以滿足工程的需要，鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以用下式表示：圖2鋼筋模型圖3簡化鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線s=Ess當sy時，s=fy+ET(s-y)當sy時，(4)式中：y=fy/Es為鋼筋屈從強度對應(yīng)的應(yīng)變。2計算模型與條件2.1計算模型根據(jù)三維線性有限元計算結(jié)果1可知，蝸殼進口段由于管徑最大，外包混凝土較薄，在內(nèi)水壓力和上部設(shè)備荷載作用下，該部位混凝土拉應(yīng)力最大，有可能出現(xiàn)裂縫。為此，取蝸殼進口斷面一片厚0.3進展非線性有限元分析，以理解鋼

8、蝸殼和外包鋼筋混凝土的受力特點及裂縫規(guī)律，蝸殼進口斷面計算簡圖和配筋情況如圖4所示。計算時，鋼蝸殼、座環(huán)和混凝土采用8結(jié)點等參單元模擬，鋼筋采用分布式鋼筋模型，分別采用各自的材料本構(gòu)關(guān)系。2.2荷載及荷載組合三峽水電站在運行過程中，與水輪機蝸殼有關(guān)的荷載包括：1上機架總負荷3000kN；2發(fā)電機定子重15000kN；3下機架含所有轉(zhuǎn)動局部總負荷58000kN；4發(fā)電機、水輪機層樓面活荷載分別為50kN/2和20kN/2；5構(gòu)造各局部自重；6蝸殼內(nèi)水壓力設(shè)計內(nèi)水壓力為1.395Pa，充水保壓值為0.7Pa。本計算主要荷載組合為：設(shè)備重量十構(gòu)造自重十內(nèi)水壓力即項荷載。圖4計算配筋2.3材料參數(shù)(1

9、)鋼材：E=210GPa,=0.3，=78.5kN/3,R=320Pa,y=1524。(2)混凝土：E=28.5GPa，=0.167，=24.5kN/3,R1=1.55Pa，為偏于平安考慮，取=03計算成果與分析計算采用增量迭代法進展，首先施加設(shè)備荷載和構(gòu)造自重，然后將內(nèi)水壓力分級加載。根據(jù)計算結(jié)果，分別整理了各級荷載下混凝土、鋼襯和鋼筋應(yīng)力，見表1，表中應(yīng)力點的位置見圖4所示。由表1和其它計算結(jié)果說明：1當考慮蝸殼構(gòu)造自重、上部設(shè)備重量和內(nèi)水壓力P=0.7Pa相當于蝸殼澆筑時的保壓值時，由于鋼蝸殼剛好填滿充水保壓澆混凝土?xí)r產(chǎn)生的縫隙，因此鋼蝸殼根本承當了全部內(nèi)水壓力，環(huán)向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，數(shù)值

10、約為64.377.0Pa；而外圍鋼筋混凝土根本上承當了上部設(shè)備的重量，因此在座環(huán)頂、底部1、9截面，見圖4，以下同和蝸殼側(cè)邊程度截面處5截面，混凝土和鋼筋均為壓應(yīng)力，而在蝸殼頂、底3、7截面部，混凝土和鋼筋應(yīng)力為較小的拉應(yīng)力。2當內(nèi)水壓力增加到P=1.2Pa時，由于鋼蝸殼已經(jīng)與外圍鋼筋混凝土緊貼在一起，共同承當大于保壓值以外的內(nèi)水壓力，因此除了鋼蝸殼拉應(yīng)力繼續(xù)增加外，座環(huán)頂、底部和蝸殼側(cè)邊程度截面混凝土和鋼筋的壓應(yīng)力減小甚至出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，但數(shù)值不大。3當內(nèi)水壓力到達設(shè)計荷載P=1.395Pa時，蝸殼周圍混凝土內(nèi)周邊均出現(xiàn)拉應(yīng)力，其中蝸殼頂、底部3、7截面混凝土最大主應(yīng)力值為1.13Pa，小

11、于25混凝土的抗拉強度，因此在上部設(shè)備重量和設(shè)計內(nèi)水壓力作用下，蝸殼外圍混凝土可能不會開裂。與此同時，由于混凝士內(nèi)拉應(yīng)力較小，混凝土尚未開裂，因此鋼筋應(yīng)力也很低，最大值不超過10.0Pa。由此可見，三峽水電站水輪機蝸殼在設(shè)計荷載情況下，構(gòu)造是非常平安的。4當內(nèi)水壓力超載到P1.6Pa時，座環(huán)頂部和蝸殼底部1、6截面混凝土開場裂縫，其它部位混凝土應(yīng)力仍低于混凝土抗拉強度。此時鋼蝸殼和鋼筋最大應(yīng)力均出如今座環(huán)頂部，應(yīng)力數(shù)值分別為104.2Pa和40.5Pa，其它部位由于混凝土尚未開裂，因此鋼材應(yīng)力均較低。當加載到P=2.2Pa時，座環(huán)頂部和蝸殼底部混凝土裂縫范圍進一步擴大，鋼材應(yīng)力也進一步增加，但

12、仍遠小于鋼材允許應(yīng)力。由此可見，蝸殼上部設(shè)備重量對座環(huán)頂、底部和側(cè)邊程度截面受力是有利的；而且即使蝸殼內(nèi)水壓力超載到2.2Pa，構(gòu)造仍然具有很高的平安儲藏。表1設(shè)備重量和內(nèi)水壓力共同作用下混凝土和鋼材應(yīng)力(單位：Pa)內(nèi)水壓力鋼材截面位置1234567890.7鋼襯內(nèi)筋外筋混凝土77.0-7.6-8.5-0.9170.3-0.1-0.0167.02.40.70.2967.9-2.6-0.7-0.3164.3-7.90.1-0.9567.0-1.7-0.2067.02.82.30.3369.8-0.8-0.1077.0-7.2-0.861.2鋼襯內(nèi)筋外筋混凝土77.61.73.20.2076.5

13、5.00.6075.57.14.30.8574.15.44.00.6563.3-0.15.7-0.0170.93.60.4375.37.03.80.8475.34.70.5679.72.20.261.395鋼襯內(nèi)筋外筋混凝土85.16.76.30.8079.980.0.9676.58.15.50.9775.26.65.10.7966.42.710.00.3277.18.71.0488.19.55.21.1376.86.10.7383.66.00.721.6鋼襯內(nèi)筋外筋混凝土104.225.340.5開裂84.711.61.2878.39.86.91.0876.07.46.20.8167.53.

14、810.00.4291.317.3開裂81.311.05.01.2276.46.50.7285.78.60.952.2鋼襯內(nèi)筋外筋混凝土122.441.560.4開裂98.520.3開裂91.717.99.7開裂88.615.38.71.5483.29.816.81.07103.538.9開裂90.523.68.1開裂87.810.51.1594.712.41.364結(jié)語根據(jù)對三峽水電站充水保壓蝸殼的有限元分析可知，進口段是整個蝸殼構(gòu)造中比擬薄弱的部位，表現(xiàn)為構(gòu)造應(yīng)力和變形均較大。非線性計算分析說明，在蝸殼進口斷面處，雖然外圍混凝土較薄，但在設(shè)計內(nèi)水壓力、構(gòu)造自重和設(shè)備重量這些荷載組合作用下，蝸殼進口斷面混凝土可能不會開裂，因此鋼材應(yīng)力均比擬低，構(gòu)造具有較高的平安度。說明現(xiàn)有配筋方案鋼筋用量可能偏多，沒有充分發(fā)揮鋼材的作用，在進